专利名称：激光焊接接头构造及具有该接头构造的气体发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过激光焊接将由压制成形形成的钢部件彼此或者压制成形品与钢材之类的被焊接部件彼此进行接合的焊接接头构造。
特别地，涉及一种截面所视的坡口形状由圆弧和圆弧、或圆弧和直线构成的扩口接头(flare groove joint扩口坡口接头)的激光焊接接头构造。
作为前述被焊接部件的例子，列举有构成气体发生器等汽车零件、建筑部件、家电零件等的钢材等。
以下，在从扩口接头的截面所视的坡口形状由圆弧和圆弧构成的情况下，称为扩口V形坡口(flaresingle Vgroove扩口V形坡口)。另外，在从扩口接头的截面所视的坡口的形状由圆弧和直线构成的情况下，称为扩口レ形坡口(flare single bevel groove扩口单斜面坡口)。
背景技术：
激光焊接不仅限于象电子束焊接那样在真空氛围中的焊接，也可为在大气中的焊接。而且，具有光束的能量密度高、可进行高速焊接、由焊接产生的变形小的特征。因此，应用领域正在扩大。
在应用通常的激光焊接的情况下，接头的坡口的截面形状大半为矩形。以下，称从截面所示的坡口形状的平坦部为I形坡口(squaregroove平头坡口)。
但是，有些制品，在为扩口接头的情况下，从截面所视的坡口的形状为图10所示扩口V形或图11所示扩口レ形。
以往，在对这种接头进行激光焊接的情况下，为得到希望的熔深，调整焊接速度、光束功率来进行焊接。
但是，要以0.5m/min以上的焊接速度得到一定的熔深，例如1.5mm以上的熔深时，则产生在焊接金属的表层部发生裂纹的问题。
这种裂纹当然在直线状的焊接线的情况下也有，但实际上在高约束的嵌入接头的扩口接头的情况下，极易发生。
因此，为避免该裂纹，以使用产生裂纹的原因之一的磷(以下，称为P)或硫(以下，称为S)含量少的高纯度钢材来进行对策。
但是，在该情况下，存在使用的钢材种类受限制的问题。
发明内容
本发明的第1目的在于提供一种在对扩口接头进行激光焊接时，即使是应用通用性高的普通钢部件，也不会在焊接金属的表层部发生裂纹的激光焊接接头构造。
特别地，提供一种能够在焊接部的表层部不发生裂纹的情况下，以0.5m/min以上的焊接速度得到1.5mm以上的熔深的激光焊接接头构造。
本发明的第2目的在于提供一种具有前述激光焊接接头构造，在焊接表面部不发生裂纹等，而使接头部分的可靠性提高的气体发生器。
发明内容本发明的发明人为探究在通过激光焊接对扩口接头进行焊接时产生的裂纹的原因，详细地研究了焊接部中的焊接金属的横截面组织和纵截面组织。
参照图12，以坡口的截面形状为V形的扩口接头的情况为例，对其结果进行说明。在图12中，标记1，2为钢的被焊接部件、3为焊接金属。图12表示了焊接部中的焊接金属3的横截面组织模型，发生了裂纹5。可以看出焊接金属3的表面的宽度TU[mm]比表面正下方的宽度TL[mm]小。又，确认了在扩口接头中，大部分为这种形状。
图13为模拟焊接部中的焊接金属3的纵截面微观组织的图。确认了，相对于表面部12的凝固，表面下的下层部13的凝固线11相对于焊接方向向后方一侧延迟。
即，有无裂纹5的发生，与该表面下的下层部13有无凝固延迟有关，所以，找出不产生该凝固延迟的焊接施工条件就成了关键。
本发明的发明人为找出在焊接部中的焊接金属的表面的正下方不产生凝固延迟的焊接施工条件，而进行了锐意研究。
其结果，发现，只改善焊接条件并不能解决问题，改善坡口构造是比较有效的。
即，本发明的激光焊接接头构造为扩口接头的激光焊接接头构造，其特征在于，在坡口的光束入射部处，在被焊接部件的至少一方上设置有I形坡口状的平坦部。
据此，关于前述扩口接头的激光焊接部中的焊接金属的横截面微观组织，呈下述熔透状态，即，表面宽度等于或大于其他部位、特别是前述表面的正下方的焊接金属的宽度。
又，关于扩口接头的激光焊接部中的焊接金属中央的纵截面微观凝固组织，呈下述凝固组织，即，表面的凝固点与其他部位，特别是表面的下层部的凝固点相同或相对于焊接进行方向位于最后方。
因此，即使是应用通用性高的普通钢材制的扩口接头，也不会产生激光焊接部的表层部的裂纹。
前述I形坡口状的平坦部的宽度T优选0.5mm以上2.0mm以下。若I形坡口状的平坦部的宽度T不足0.5mm，则相对于实际应用的焊接条件来说太小，几乎没有效果。
而且，I形坡口状的平坦部的宽度T[mm]优选为满足下式。
T≥Q/1500其中，Q为，激光功率[W]/焊接速度[m/min]。以下，称Q为焊接热输入或只称为热输入。
又，本发明的气体发生器的特征在于，具有前述激光焊接接头构造。
图1(a)，图1(b)为在具有扩口レ形坡口的扩口接头的两被焊接部件上形成有I形坡口状的平坦部的一例。图1(a)为表示焊接金属的横截面熔透状况的图。图1(b)为表示焊接金属的纵截面凝固线的形态的模拟图，表示没有发生裂纹的情况下的形态。
图2(a)及图2(b)为表示在具有扩口レ形坡口的扩口接头的一方的被焊接部件上形成有I形坡口状的平坦部的激光焊接部的一例。图2(a)为表示焊接金属的横截面熔透状况的图。图2(b)为表示焊接金属的纵截面凝固线的形态的模拟图，表示没有发生裂纹的情况下的形态。
图3为具有本发明的激光焊接接头构造的气体发生器的一例的剖视图。
图4为表示实施例1中的焊接试验部件形状的图。
图5(a)为表示扩口接头的以往的レ形坡口的图，图5(b)为表示实施例1中的焊接试验部件的坡口形状的图，表示在单侧部件上设置有I形坡口状的平坦部的扩口レ形坡口，图5(c)为表示实施例1中的焊接试验部件的坡口形状的图，表示在两侧部件上设置有I形坡口状的平坦部的扩口レ形坡口。
图6为表示从实施例1的实验结果得到的、焊接部裂纹的有无和坡口表面的平坦部宽度T[mm]、焊接热输入Q之间关系的图。
图7为表示实施例2中的焊接试验部件形状的图。
图8(a)为表示扩口接头的以往的V形坡口的图，图8(b)为表示在单侧部件上设置有I形坡口状的平坦部的扩口V形坡口的图，图8(c)为表示实施例2中的焊接试验部件的坡口形状的图，表示在两侧部件上设置有I形坡口状的平坦部的扩口V形坡口。
图9为表示从实施例2的实验结果得到的、焊接部裂纹的有无和坡口表面的平坦部宽度T[mm]、焊接热输入Q之间关系的图。
图10为表示扩口接头的以往的V形坡口的一例的图。
图11为表示扩口接头的以往的レ形坡口的一例的图。
图12为对扩口接头的以往技术中的V形坡口进行激光焊接的情况的剖视图，为关于裂纹发生的说明图。
图13为表示以往技术中的激光焊接部的焊接金属的纵截面凝固线的形态的模拟图，表示发生裂纹的情况下的形态。
图14为表示关于试验焊接条件的范围的表1的图。
图15为表示关于实施例1中的试验焊接条件及裂纹调查结果的表2的图。
图16为表示关于实施例2中的试验焊接条件及裂纹调查结果的表3的图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的激光焊接接头构造的实施方式的一例进行说明。
图1(a)，图1(b)为表示具有扩口レ形坡口的扩口接头的激光焊接部的截面的图。在两被焊接部件1，2上形成有I形坡口状的平坦部4。
图1(a)表示相对于焊接金属的焊接方向的横截面微观组织，表示焊接金属的横截面熔透状况。图1(b)为表示焊接金属的纵截面凝固线的形态的模拟图，表示没有发生裂纹的情况下的形态。
在图1(a)中，1，2表示作为被焊接部件的钢部件，3表示焊接金属部，4表示形成为I形坡口状的平坦部。又，在图1(b)中，11表示焊接金属的凝固线，12表示焊接金属的表面，13表示焊接金属的表面下的下层部。
如图1(a)所示，确认了，通过在坡口的光束入射部处设置I形坡口状的平坦部4，焊接金属的表面部12的宽度TU[mm]大于表面正下方的宽度TL[mm]。而且，如图1(b)所示，确认了纵截面微观下的凝固线11中的表面部12的凝固线11位于焊接方向的最后方。这证明了焊接金属的最终凝固部转移到了焊接金属表面，由此，可以防止产生凝固裂纹。
图2(a)及图2(b)为表示具有扩口レ形坡口的扩口接头的激光焊接部的截面的图。在一方的被焊接部件上形成有I形坡口状的平坦部4。图2(a)表示焊接金属3相对于焊接方向的横截面微观组织，表示焊接金属3的横截面熔透状况。图2(b)表示焊接金属3相对于焊接方向的纵截面微观凝固组织，为表示焊接金属的纵截面凝固线的形态的模拟图。
如图2(b)所示，确认了纵截面微观下的凝固线11中的表面部12的凝固线11与以往相比，位于焊接方向的后方。由此，可以防止产生凝固裂纹。
这样，在扩口レ形接头的坡口处，在被焊接部件的一方或双方上设置I形坡口状的平坦部4，由此，可以有效地防止在焊接部的表面上产生裂纹。
其中，该I形坡口状的平坦部4的宽度越宽越有效，这是因为变得和平板的对合接头同样了的缘故。但是，从与扩口接头所要求的强度的关系出发，优选地设定为所必要的最小限度。
其中，焊接金属的表面部12的宽度TU[mm]大致由焊接时的激光功率和焊接速度之比唯一决定。激光功率越高，且焊接速度越低，则宽度TU[mm]越大。在平坦部4的宽度T[mm]比该宽度TU[mm]小的情况下，要完全避免焊接金属的表面正下方的凝固延迟就变得困难。
因此，随着焊接热输入Q变大，必须增大平坦部宽度T[mm]。而且，前述焊接热输入Q为激光功率[W]/焊接速度[m/min]。
进而，若平坦部的宽度不足0.5mm，则对于实际应用的激光焊接条件来说太小，所以几乎没有效果。而且，可判断在焊接热输入Q的值不足500的焊接条件下，应用于焊接金属部的截面积小、产生裂纹问题那样的金属制品的情况稀少。所以该焊接热输入Q的值优选为500以上2250以下。
又，扩口接头7的坡口形状为V形的情况示于图8(b)，图8(c)中。在图8(b)中，I坡口状的平坦部4设置在被焊接部的一方的部件上。前述平坦部4的宽度为TS[mm]。在图8(c)中，I坡口状的平坦部4设置在被焊接部的两侧部件上。前述平坦部4的宽度为TD[mm]。坡口形状为V形的情况也与扩口接头的坡口形状为レ形的情况相同，故省略其说明。
以上那样的激光焊接接头构造可以完全地防止对焊接部性能产生不良影响的裂纹发生，不仅能提高焊接部的质量，还可实现焊接工时及检查、维修工时的大幅减少，从而起到可大幅降低制造成本的效果。
其次，通过具体的实施例，对上述本实施方式例的激光焊接接头构造进行说明。
在图4中，将φ60.5mm、板厚3.5mm的JISG3452 SPG钢材机械加工成圆筒状，作成第1钢部件1。进而，将板厚3mm的JISG3141 SPCD钢材压制成形，其后，对其进行机械加工，作成具有凸缘部的圆筒状的第2钢部件2。
将该第1钢部件1嵌入第2钢部件2中，构成坡口形状为扩口レ形的扩口接头7。
然后，如图5(b)所示，在第2钢部件上形成I形坡口状的平坦部4。前述平坦部4的宽度为TS[mm]。
又，如图5(c)所示，在第1钢部件及第2钢部件上形成I形坡口状的平坦部4。前述平坦部4的宽度为TD[mm]。
在图14中的表1所示的焊接条件的范围内，对其进行CO2激光焊接。然后，调查在焊接部的表面及截面上是否产生了裂纹。
作为比较例1，对图5(a)所示的以往的扩口レ形接头坡口的情况也在与实施例1同样的条件下进行CO2激光焊接，通过焊接部表面及截面调查来调查有无裂纹产生。
又，实施例1及比较例1同样地，激光焊接装置使用5KW激光焊接装置，将试验部件夹紧在转动夹具上，一边使其转动一边进行焊接。在图14中的表1中表示了试验焊接条件的范围。在图15中的表2中表示了试验焊接条件及裂纹调查结果。
从表2可以看出，在表面未设置平坦部的比较例1的坡口上，即使变化焊接条件，也不能避免裂纹发生。确认了根据表面上设置有平坦部的实施例1的坡口，在各种焊接条件下都可避免裂纹发生。
从试验结果来看，确认了适当的平坦部宽度T[mm]优选设定为满足下式。
T≥Q/1500其中，Q为，激光功率[W]/焊接速度[m/min]。
前述试验结果示于图6中。图6为表示焊接部的裂纹有无和坡口表面的平坦部宽度T[mm]及焊接热输入Q之间的关系的图表。
又，对本实施例1的焊接部调查了熔透状态，结果确认了均可得到1.5mm以上的熔深。而且，确认了在横截面微观组织中，焊接金属表面的宽度比表面正下方的宽度大。进而，也可确认到，在焊接金属中央的纵截面微观凝固组织中，焊接金属表面的凝固点与包含表面正下方的其他的表面下层部的凝固点相比，相对于焊接进行方向位于最后方。
在图7中，对板厚3mm的JISG3141 SPCD钢材进行压制成形后实施机械加工，来成形圆盘状的第1钢部件1。将其组合嵌入具有凸缘部的第2钢部件2中，构成坡口形状为扩口V形的扩口接头7。
然后，如图8(c)所示，在第1钢部件及第2钢部件上形成I形坡口状的平坦部4。前述平坦部4的宽度为TD[mm]。
对其进行YAG激光焊接，并通过焊接部表面及截面调查来调查有无裂纹产生。
作为比较例2，在图8(a)所示的坡口形状为以往的V形的扩口接头的情况下，也在与实施例2同样的条件下进行YAG激光焊接，通过焊接部表面及截面调查来调查有无裂纹产生。
又，实施例2及比较例2同样地，激光焊接装置使用5KW激光焊接装置，而且，将试验部件夹紧在转动夹具上，边使其转动边进行焊接。将试验焊接条件的范围作成表1示于图14中。将试验焊接条件及裂纹调查的结果作成表3示于图16中。
从表3可以看出，关于坡口形状为V形的扩口接头，也和实施例1同样，在表面未设置平坦部的比较例2的坡口上，即使变化焊接条件，也不能避免裂纹发生。
确认了在表面上设置有平坦部的实施例2的坡口的情况下，在各种焊接条件下都可避免产生裂纹。
确认了适当的平坦部宽度T[mm]优选设定为满足下式。
T≥Q/1500其中，Q为，激光功率[W]/焊接速度[m/min]。
前述试验结果示于图9中。图9为表示焊接部的裂纹有无和坡口表面的平坦部宽度T[mm]及焊接热输入Q之间的关系的图表。
如上所述，在开口形状为V形或レ形的扩口接头的激光焊接中，即使是应用通用性高的普通钢材，也不会在焊接金属的表层部发生裂纹。
因此，本发明的激光焊接接头构造也可以应用于图3所示那样的用于使汽车的缓冲气袋等膨胀的气体发生器20的各接头部分。
又，该处所示的气体发生器为作为气体发生器的实施方式的一例，本发明的具有激光焊接接头构造的气体发生器，并不限于该处所示的气体发生器。
图3所示的气体发生器20为使驾驶席用的缓冲气袋膨胀展开的气体发生器，包括壳体23、圆筒状的第1分隔部件6、第2分隔部件27、过滤件28、气体发生剂29、点火机构31，30。
壳体23是由起爆壳21和闭合壳22构成的较短的圆筒。圆筒状的第1分隔部件6将壳体23内在圆周方向上划分成燃烧室24a，24b和过滤室25。第2分隔件27将燃烧室24a，24b分成上下两个燃烧室24a，24b。过滤件28装配在过滤室25中。气体发生剂29装填在各燃烧室24a，24b内。点火机构31，30使前述气体发生剂29分别独立燃烧。
前述起爆壳21和闭合壳22对接，构成激光焊接的扩口接头。该焊接部50的坡口形状为レ形。在该レ形坡口的光束入射部，在起爆壳21和闭合壳22的至少一方上设置I形坡口状的平坦部，来进行焊接。
而且，支承各点火机构31，30的底盘部32与前述起爆壳21构成激光焊接的扩口接头。该焊接部51的坡口形状为V形。在该V形坡口的光束入射部，在底盘部32和起爆壳21的至少一方上设置I形坡口状的平坦部，来进行焊接。
这样构成的接头构造在两焊接部50，51的焊接表面上不发生裂纹，而将壳体23内可靠地密封起来。这样，本实施方式例的接头构造也可应用于气体发生器的由通用材料构成的接头部分。其结果，可以提高由激光焊接形成的接头部分的可靠性。
而且，本发明记载在了上述优选实施方式例中，但本发明并不仅限于此。应理解为不脱离本发明的精神和范围的各种实施方式例可为其他方式。
工业实用性本发明如上所述地构成，在对扩口接头进行激光焊接时，即使是通用性高的普通钢材，作为焊接金属的表层部无裂纹发生的激光焊接接头构造，也比较合适。
特别地，作为在焊接部的表层部不发生裂纹的情况下，能够以0.5m/min以上的焊接速度得到1.5mm以上的熔深的激光焊接接头构造，比较合适。
而且，作为具有本发明的激光焊接接头构造，在焊接的表面不发生裂纹等，而使接头部分的可靠性提高了的气体发生器，比较合适。
权利要求
1.一种激光焊接接头构造，为扩口接头的激光焊接接头构造，在坡口的光束入射部处，在被焊接部件的至少一方上设置有I形坡口状的平坦部。
2.如权利要求1所述的激光焊接接头构造，前述I形坡口状的平坦部的宽度为0.5mm以上2.0mm以下。
3.如权利要求1所述的激光焊接接头构造，前述I形坡口状的平坦部的宽度T[mm]满足下式，T≥Q/1500其中，Q为，激光功率[W]/焊接速度[m/min]，称为焊接热输入或热输入。
4.如权利要求1所述的激光焊接接头构造，关于前述扩口接头的激光焊接部中的焊接金属的横截面微观组织，呈下述熔透状态，即，表面宽度等于或大于前述表面的正下方的焊接金属的宽度。
5.如权利要求1所述的激光焊接接头构造，关于扩口接头的激光焊接部的焊接金属中央的纵截面微观凝固组织，呈下述凝固组织，即，表面的凝固点与表面的下层部的凝固点相同或相对于焊接进行方向位于最后方。
6.一种气体发生器，具有权利要求1所述的激光焊接接头构造。
7.一种气体发生器，具有权利要求2所述的激光焊接接头构造。
8.一种气体发生器，具有权利要求3所述的激光焊接接头构造。
9.一种气体发生器，具有权利要求4所述的激光焊接接头构造。
10.一种气体发生器，具有权利要求5所述的激光焊接接头构造。
全文摘要
一种激光焊接接头构造，为扩口接头的激光焊接接头构造，在坡口的光束入射部处，在被焊接部件(1，2)的至少一方上设置有I形坡口状的平坦部(4)。一种气体发生器，具有前述激光焊接接头构造。
文档编号B60R21/26GK1638914SQ03805570
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月7日 优先权日2002年3月8日
发明者村井康生, 青木靖弘 申请人:日本化药株式会社